核主泵电动机绝缘技术研究与发展

祁世发方建国刘 洋刘亚丽



核主泵电动机绝缘技术研究与发展

祁世发1，2，方建国1，2，刘 洋1，2，刘亚丽3

（1.黑龙江省核主泵工程技术研究中心，哈尔滨，150040；2.哈尔滨电气动力装备有限责任公司，哈尔滨，150040； 3.机械工业北京电工技术经济研究所, 北京 100070）

核主泵在反应堆核岛内运行，始终受到核岛内高能射线的辐射作用，因此，电动机绝缘系统承受高能射线的水平，是核主泵电动机绝缘系统设计的必要条件。绝缘结构的快速热老化评定试验是绝缘系统的耐热等级和热寿命的科学评定方法，为核主泵电动机绝缘系统的可靠运行提供了科学的依据。

核主泵电动机；绝缘；核辐射；快速热老化

0 前言

核电能源因其清洁、高效、安全、可靠及使用寿命长等优势，越来越被人们所用。核主泵用于核反应堆冷却剂循环系统，又称冷却剂强制循环泵。核主泵要求能在潮湿环境、工况多变、有强烈冲击和振动的情况下，保障反应堆冷却剂在高温、高压力、强放射性的条件下安常循环。核主泵是反应堆核岛内的核一级安全部件，是关键配套设备之一，也是国际上核禁运设备之一。

目前具有设计制造核主泵能力的公司主要有：美国西屋/EMD、法马通/日蒙、德国KSB、奥地利Andritz、日本三菱、俄罗斯ASE/SUMY等。

核主泵主要由泵和电动机组成。核主泵分为：（1）轴封式，即泵与电动机分体，中间由联轴器联结。电动机为立式、空冷异步电动机；（2）无轴封式，即泵与电动机由同一根轴联成一体。电动机为立式，水冷屏蔽型异步电动机。

本文主要介绍哈电动装公司核主泵电动机绝缘技术的研究和发展情况。

1 高能辐射对绝缘材料性能的影响[1]

核主泵在反应堆核岛内运行，因此核主泵电动机绝缘要承受射线的辐射。射线、Χ射线、快中子具有很高的穿透力，绝缘材料多为化学高分子聚合物，在高能辐射下可引起其分子的电离或激发，当其剂量达到一定量值时，使绝缘材料发生裂解老化。绝缘材料耐辐照水平，判断标准为IEC 60544-4-2003[16](原IEC60544-3-1979[15])，标准中规定：性能考核标准为表面电阻率和体积电阻率及绝缘电阻保持在原始值的90%以上；电气强度及机械强度保持在原始值的50%以上。

2 绝缘系统各组份的耐辐射性能

核主泵电动机技术条件要求其电动机绝缘系统必须能够承受一定剂量的辐射累计剂量[2]，本文中电机绕组所受到的累计辐射吸收剂量为2×105Gy及以上。

2.1 电磁线绝缘

电磁线由铜导体及绝缘组成。下列5种电磁线在空气中耐受2×105Gy辐射前后的电气击穿水平、弯曲性能和附着性能一致，在核主泵电动机绝缘系统中得到应用。

（1）有机硅双玻璃纤维绕包铜扁线[3]；

（2）双玻聚酰亚胺-氟46复合薄膜绕包铜扁线[5]，

（3）聚酰亚胺-氟46复合薄膜铜扁线[4]；

（4）240级聚酰亚胺漆包铜扁线；

（5）单玻防电晕（三层复合）漆包圆铜绕组线。

2.2 云母带[11]

电动机绝缘中的云母带由胶粘剂、云母纸和补强材料组合而成，哈电动装公司主泵电动机主绝缘云母带有以下几种。

2.2.1 F级环氧少胶粉云母带

F级环氧玻璃少胶粉云母带和环氧薄膜少胶粉云母带耐辐照（2×105Gy）性能见表1。

表1 F级环氧少胶云母带辐照前后性能

2.2.2 220级少胶粉云母带

220级少胶粉云母带为厚粉纸云母带。表2列出了国产粉云母带与进口粉云母带辐照（2×105Gy）前后的测试数据。

表2 220级少胶云母带辐照前后性能

2.2.3 H级少胶粉云母带

H级少胶粉云母带可分为玻璃粉云母带、聚酰亚胺薄膜玻璃粉云母带等，以二苯醚衍生物为胶粘剂。表3为聚酰亚胺薄膜玻璃粉云母带的辐照试验数据。

2.3 浸渍树脂

2.3.1 环氧型无溶剂浸渍树脂

表4给出了环氧酸酐浸渍树脂和环氧硼胺浸渍树脂辐照前后测试数据。

从表4可见，这两种F级环氧型浸渍树脂均可在辐照累积剂量5×105Gy范围内使用。

表3 H级聚酰亚胺薄膜玻璃粉云母带辐照前后性能

表4 环氧浸渍树脂辐照前后性能

2.3.2 聚酯亚胺无溶剂浸渍树脂[7]

聚酯亚胺无溶剂浸渍树脂由单组份不饱和聚酯亚胺和活性单体苯乙烯组成，具有耐热等级高、热稳定性优良、粘接强度高、机电性能优越、耐溶剂、耐潮湿、耐腐蚀、耐辐照、贮存期长及浸透性好、固化快、固化温度低等特点。耐热等级180级和200级聚酯亚胺型浸渍树脂耐辐照数据见表5。

表5 聚酯亚胺浸渍树脂辐照前后性能

2.3.3 有机硅无溶剂浸渍树脂

有机硅无溶剂浸渍树脂辐照前后电气性能测试见表6。

表6有机硅无溶剂浸渍树脂辐照前后性能

项目体积电阻率表面电阻率介质损耗因数电气强度 单位MΩ·mMΩ%MV/m 原始值5.77×1083.54×1080.14423.6 2×105Gy4.67×1086.1×108

3 核主泵电动机绝缘系统的特殊要求

核主泵电动机绝缘系统与普通电动机绝缘系统不同之处：

（1）要求绝缘系统承受辐照累积剂量达1×105Gy；

（2）电动机为立式则要求定子绕组加强线圈固定，定子绕组固定方式与普通电动机定子绕组固定方式不同；

（3）绝缘系统运行寿命长[6]，一般电机为20年，轴封电动机以前要求30年，现在要求达40年，屏蔽电动机要求60年；

（4）要求绝缘系统防潮、防霉，并具有优异的抗冲击和抗振动性能；

（5）由于电动机外形尺寸受到接口尺寸和空间的限制，要求电机外形尺寸最小；

（6）目前核主泵电动机定子绝缘系统耐热等级高达220级。

4 核主泵电动机绝缘系统

20世纪60年代初，哈电开始为核动力装置配套自主研究设计屏蔽式核主泵电动机，从380V、8kW、H级屏蔽核主泵电动机绝缘系统到目前的6.9kV、6000kW、220级屏蔽核主泵电动机[12]、轴封式电动机由无到有，额定电压由6kV到6.6kV、功率由4500kW到8000kW绝缘系统的研发及应用。

4.1高压大容量屏蔽式电动机绝缘系统

为配合我国第三代百万千瓦级压水堆核电站工程的设计和制造，引进了高压大容量核主泵屏蔽式电动机技术，其绝缘结构见表7。

以两种国产材料和进口材料制作的定子模拟线棒，经辐照前后的介质损耗角正切（tan）和击穿电压的测试值见表8。

三种材料制作的定子模拟绕组辐照前后的耐热老化和寿命评定的结果见表9和表10。

经过各项绝缘性能试验和耐热老化评定可证明：国产化的、自主设计的高电压、大容量核主泵屏蔽式电动机绝缘系统的绝缘水平与进口的、引进的电动机绝缘水平相当。

表7 变频启动屏蔽电动机的技术要求和绝缘结构[14]

表8 模拟线棒辐照前后的tanδ和击穿电压值（平均值）

表9 定子绕组绝缘结构温度指数(TI)

表10 定子绕组绝缘结构60年绝缘寿命对应最高运行温度

4.2 轴封式核主泵电动机绝缘系统[13]

轴封式核主泵主要用于二代和二代加压水堆核电站工程。

4.2.1 定子绕组绝缘结构

C1型定子绕组主绝缘采用中胶云母带、整体VPI浸渍工艺[9]；C3型和二代加线圈主绝缘采用少胶云母带、整体VPI浸渍工艺[8]。C3型和二代加线圈主绝缘厚度比C1型薄。

4.2.2 耐辐射性能

图1为C3型和二代加模拟绝缘结构与C1型模拟绝缘结构的常态介质损耗角正切（tgδ）；表11为击穿电压数据。

图1 模拟绝缘结构辐照前后常态介质损耗正切曲线（额定电压为6kV）

表11模拟绝缘结构辐照前后击穿电压值

型号C1型(kV)C3型和二代加(kV) 未辐照64 5192.6 82.4 80.9 88.3 93.2 2×105Gy67 6385.3 78.8 79.6 75.8 74.3

4.2.3 耐热性评定[10]

C1型绝缘系统的温度指数为162℃，热寿命超过50年。C3型和二代加绝缘系统的温度指数为174.5℃，在130℃运行温度下，寿命为63.3年。

5 结语

近年来，随着国际国内科学技术的发展的进步，我国核主泵屏蔽电动机绝缘技术有了长足的进步。目前，哈电动装公司核主泵屏蔽电动机绝缘系统额定电压由380V提升到6.9kV、耐热等级由H级提升到220级，容量由8kW增容到6000kW，绝缘系统耐热寿命由15年、20年、30年提高到60年。

轴封式电动机由无到有，额定电压有6kV及6.6kV、功率由4500kW增容到了8000kW。

核主泵电动机起动方式由正常起动发展到变频起动。

这一切都标志着我国核主泵电动机绝缘技术在不断的发展和进步。近二十年来哈电动装公司核主泵电机产品安全运行实践表明，我国核主泵电动机绝缘技术水平已达到了世界一流水平。

电动机绝缘结构的快速热老化评定试验为核主泵电动机的安全运行提供了科学依据。

[1] 桂林电器科学研究三室. 电工绝缘材料耐高能辐射性综述[J]. 绝缘通讯, 1976, (4).

[2] 张东林, 石宵峰, 王旭辉. 核电耐辐照电动机绝缘的发展[C]//中国电工学会. 第六届全国工程电介质学术会议论文集. 常州: 1998.

[3] 赫兟, 石宵峰, 张东林. 核动力装置用屏蔽电动机的绝缘.绝缘材料[J]. 2001, (2).

[4] 叶学淳. C级变频交流牵引电机绝缘结构研究.上海大中型电机, 2002, (1).

[5] 石宵峰.核电用屏蔽电动机绝缘. 大电机技术, 2002, (1).

[6] 张蕊.预测大电机绝缘寿命方法综述.大电机技术，2004. (4).

[7] 孙雅玲, 张东林. H级聚酯亚胺硅钢片漆的研制与应用[J]. 上海大中型电机, 2005, (2).

[8] 祁世发, 朱姗姗, 张东林. 哈电大中型交流电机LD-F绝缘体系[J]. 大电机技术, 2010, (8).

[9] 孙雅玲, 刘洋, 张东林. 我国高压交流电压绝缘技术的现状和发展[C]//交直流电机行业技术交流会论文汇编, 哈尔滨: 中国电工学会, 2010.

[10] 宋传生.高压电动机绝缘老化诊断与寿命评价. 防爆电机, 2011 , (4).

[11] 管兆杰.国内电机绝缘材料和工艺及绝缘结构现状分析.电机与控制应用, 2011，(4).

[12] 刁立民，李藏雪. 新型高温高压屏蔽电机的研制. 防爆电机, 2013 , (1).

[13] 刘洋, 祁世发. 主泵轴封式电动机少胶型绝缘系统[J]. 防爆电机, 2013 , (4).

[14] 杨洲, 石宵峰. 核电定子铁心冲片绝缘工艺的研究. 大电机技术, 2016, (3).

[15] IEC60544-3-1979, Guide for determining the effects of ionizing radiation on insulating materials part 3: test procedures for permanent effects first edition [S].

[16] IEC60544-4-2003,Electrical insulating materials - Determination of the effects of ionizing radiation - Part 4: Classification system for service in radiation environments[S].

Research and Development of Insulation Technology for Reactor Coolant Pump Motor

QI Shifa, FANG Jianguo, LIU Yang, LIU Yali

（1.Engineering Research Center of RCP Heilongjiang Province,Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150040, China; 2. Beijing Electrical Research Institute, Bingjing 100070, China.）

Reactor coolant pump is arranged to operate within the reactor nuclear island. The insulation system of the motor is exposed to high energy X-ray radiation from the nuclear island. The assessment of the endurance level to high energy radiation of the selected insulating material and insulation structure is a necessary step in the design of insulation system of reactor coolant pump motor. and thermal aging evaluation and insulation test is scientific evaluation of the insulation system of the life of heat and heat resistant grades and provide a scientific basis for the reliable operation of the reactor coolant pump motor.

reactor coolant pump motor; insulation system; Gamma ray; radiation resistance test; stator winding insulation; thermal ageing assessment

TM623, TM32

A

1000-3983（2017）02-0034-04

2016-09-02

祁世发（1964-），1987年毕业于哈尔滨电工学院绝缘技术专业，一直从事电机绝缘技术工作，高级工程师。

审稿人：孙永鑫